JP2009068079A - Steel tube with excellent steam oxidation resistance - Google Patents

Steel tube with excellent steam oxidation resistance Download PDF

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Yoshitaka Nishiyama
佳孝 西山
Hitoshi Miyahara
整 宮原
Tadashi Kawakami
忠司 河上
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a steel tube having excellent steam oxidation resistance and suitable as a material used for boilers in power generation facilities, tubing and various heat exchangers, etc. <P>SOLUTION: The steel tube with excellent steam oxidation resistance contains 8 to 28 mass% Cr and has a worked layer in the inner surface thereof and satisfies inequality α≥0.5 (wherein α is represented by equation α=äHv<SB>20</SB>-Hv<SB>t/2</SB>}/Hv<SB>t/2</SB>). In the equation, Hv<SB>20</SB>and Hv<SB>t/2</SB>denote a Vickers hardness in a position at a depth of 20 μm from the inner surface of the steel tube and a Vickers hardness in a position at a depth of t/2 (where (t) is wall thickness of the steel tube) from the inner surface of the steel tube, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、耐水蒸気酸化を有する鋼管に係り、特に、発電設備のボイラ、配管、各種熱交換器などに用いられる素材に好適な耐水蒸気酸化性に優れた鋼管に関する。   The present invention relates to a steel pipe having steam oxidation resistance, and more particularly to a steel pipe having excellent steam oxidation resistance suitable for materials used for boilers, piping, various heat exchangers and the like of power generation equipment.

近年、様々な技術分野において温暖化を初めとする地球環境問題への関心が高まっている。例えば、高発電プラントにおいては、炭酸ガスの総排出量を抑制することが急務となっており、新規に建設されるプラントでは、高効率に発電できる設備であることが強く要求されている。例えば、火力発電ボイラにおいては、高効率発電のために蒸気の高温高圧化が有効な対策として採用されている。この蒸気の高温高圧化は、ボイラの過熱器管および再熱器管の管壁温度の上昇を招き、使用されるボイラ用鋼管には、高温強度とともに、水蒸気による高温酸化に対する耐性も求められる。鋼管の水蒸気酸化を防止する方法としては、以下に示すように、これまで種々の提案がなされている。   In recent years, interest in global environmental problems such as global warming is increasing in various technical fields. For example, in a high power generation plant, it is an urgent need to suppress the total discharge amount of carbon dioxide gas, and a newly constructed plant is strongly required to be a facility capable of generating power with high efficiency. For example, in a thermal power generation boiler, high-temperature and high-pressure steam is adopted as an effective measure for high-efficiency power generation. This increase in the temperature and pressure of steam causes an increase in the wall temperature of the superheater pipe and reheater pipe of the boiler, and the boiler steel pipe used is required to have high-temperature strength and resistance to high-temperature oxidation by steam. As a method for preventing steam oxidation of a steel pipe, various proposals have been made so far as shown below.

(A)加工層を形成した後に溶体化熱処理を実施する技術
特許文献1には、オーステナイトステンレス鋼を溶体化処理したのち、ショット加工、グラインダー加工および研磨加工等の冷間加工を管表面に加え、ついで所定の再溶体化処理を施す表面細粒ステンレス鋼管の製造方法に関する発明が開示されており、特許文献2には、オーステナイトステンレス鋼管に加工率20%以上の冷間加工を行い、ついで2.9℃/sec以下の昇温速度で固溶化熱処理を行う加工熱処理方法に関する発明が開示されている。
(A) Technology for performing solution heat treatment after forming a processed layer In Patent Document 1, after austenitic stainless steel is subjected to solution treatment, cold processing such as shot processing, grinder processing and polishing processing is added to the tube surface. Then, an invention relating to a method for producing a surface fine-grained stainless steel pipe that is subjected to a predetermined re-solution treatment is disclosed. Patent Document 2 discloses that austenitic stainless steel pipe is subjected to cold working with a working rate of 20% or more, and then 2 An invention relating to a heat treatment method for performing a solution heat treatment at a temperature rising rate of 9 ° C./sec or less is disclosed.

特許文献3には、管内面に結晶粒度No.7より細粒で、厚さ30μm以上の細粒層を形成したものに対し20%以上の冷間加工を施し、かつ再結晶化処理をするオーステナイト系鉄合金管の製造方法に関する発明が開示されており、特許文献4には、内表面から20μmの位置における硬度がHv320以上になるように冷間加工するとともに化学的影響を受けた表面を極力低減した状態で溶体化処理を行うオーステナイトステンレス鋼管の耐水蒸気酸化性を向上させる方法に関する発明が開示されている。   In Patent Document 3, the crystal grain size No. An invention relating to a manufacturing method of an austenitic iron alloy tube is disclosed in which a fine-grained layer having a thickness of 30 μm or more is formed from No. 7 and subjected to a recrystallization treatment by subjecting it to a cold working of 20% or more. Patent Document 4 discloses an austenitic stainless steel pipe that is cold-worked so that the hardness at a position of 20 μm from the inner surface is Hv320 or more and that is subjected to a solution treatment in a state where the chemically affected surface is reduced as much as possible. An invention relating to a method for improving the steam oxidation resistance of a rubber is disclosed.

(B)CおよびNの含有量を高めて、溶体化熱処理後も細粒組織とする技術
特許文献5には、鋼管内表面側に結晶粒度番号がNo.7以上の細粒組織を有し、その細粒層部のC+Nが0.15%以上であるオーステナイトステンレス鋼管に関する発明が開示されている。
(B) Technology for increasing the content of C and N to make a fine grain structure even after solution heat treatment In Patent Document 5, the crystal grain size number is No. on the inner surface of the steel pipe. An invention relating to an austenitic stainless steel pipe having a fine grain structure of 7 or more and having C + N of the fine grain layer part of 0.15% or more is disclosed.

(C)ピーニング加工によって冷間加工層を形成する技術
特許文献6には、最終熱処理後、内表面に粒子吹き付けによるピーニング加工を施すオーステナイトステンレス鋼管の高温水蒸気酸化の防止方法に関する発明が開示されており、特許文献7には、ピーニング加工の粒子吹き付け条件の選択により、10μm以上の加工層を形成することを特徴とするオーステナイトステンレス鋼管の高温水蒸気酸化の防止方法に関する発明が開示されている。。また、特許文献8には、既設ボイラから取り出した管体に対し、熱処理後に内面脱スケールを目的とした化学洗浄を施し、しかる後管体内面に対し、冷間加工層形成を目的としたショットブラスト加工を施す既設ボイラのステンレス管体処理方法に関する発明が開示されている。
(C) Technology for forming a cold-worked layer by peening process Patent Document 6 discloses an invention relating to a method for preventing high-temperature steam oxidation of an austenitic stainless steel pipe that is subjected to peening by particle spraying on the inner surface after the final heat treatment. Patent Document 7 discloses an invention relating to a method for preventing high temperature steam oxidation of an austenitic stainless steel pipe, characterized in that a processed layer of 10 μm or more is formed by selecting a particle spraying condition for peening. . Further, Patent Document 8 discloses that a tubular body taken out from an existing boiler is subjected to chemical cleaning for the purpose of descaling the inner surface after heat treatment, and then a shot intended to form a cold-worked layer on the inner surface of the tubular body. An invention relating to a method of treating a stainless steel tube of an existing boiler that performs blasting is disclosed.

(D)スケールの密着性を改善する技術
特許文献9には、希土類元素を含有するオーステナイトステンレス鋼からなる溶体化処理された鋼管の管内表面に粒子吹き付けピーニング加工層を有する耐水蒸気酸化性に優れたボイラ用鋼管に関する発明が開示されている。また、特許文献10には、Crを9〜28質量%含有し、冷間加工後の内表面の最大高さを15μm以上とし、さらに管の内表面層と肉厚中央部のビッカ−ス硬度差が100以上とする鋼管に関する発明が開示されている。
(D) Technology for improving scale adhesion Patent Document 9 describes excellent steam oxidation resistance having a particle sprayed peening layer on the inner surface of a solution-treated steel pipe made of austenitic stainless steel containing a rare earth element. An invention related to a steel pipe for a boiler is disclosed. Patent Document 10 contains 9 to 28% by mass of Cr, the maximum height of the inner surface after cold working is 15 μm or more, and the Vickers hardness of the inner surface layer of the tube and the center of the wall thickness. An invention relating to a steel pipe having a difference of 100 or more is disclosed.

(E)高加工度の冷間加工を付与する技術
特許文献11には、質量%で5〜30%のCrを含有するフェライト系耐熱鋼管もしくはオーステナイト系耐熱鋼管の内表面に超音波衝撃処理を施す耐水蒸気酸化性の優れたボイラ用鋼管の製造方法に関する発明が開示されている。
(E) Technology for imparting cold work with a high degree of work In Patent Document 11, ultrasonic shock treatment is applied to the inner surface of a ferritic heat-resistant steel pipe or austenitic heat-resistant steel pipe containing 5 to 30% Cr by mass%. The invention regarding the manufacturing method of the steel pipe for boilers which was excellent in the steam oxidation resistance to give is indicated.

(F)フェライト系耐熱鋼の耐水蒸気酸化性を改善する技術
特許文献12には、TiおよびYを含有させた鋼を焼入れ焼戻して、酸化皮膜との界面もしくはその近傍に1μm以下の径の微細な酸化物を形成させた高Crフェライト系耐熱鋼に関する発明が開示されており、特許文献13には、少なくとも表層深さで10μmの領域が、伸長したフェライト粒からなる加工組織かフェライト系粒径が3μm以下の微細組織であり、表面に保護皮膜を有する高Crフェライト系耐熱鋼に関する発明が開示されている。
(F) Technology for improving steam oxidation resistance of ferritic heat resistant steel Patent Document 12 discloses that a steel containing Ti and Y is quenched and tempered, and has a diameter of 1 μm or less at the interface with the oxide film or in the vicinity thereof. An invention relating to a high Cr ferritic heat resistant steel in which an oxide is formed is disclosed, and Patent Document 13 discloses that at least a region having a surface depth of 10 μm has a processed structure composed of elongated ferrite grains or a ferrite based grain size. Discloses an invention relating to a high Cr ferritic heat resistant steel having a microstructure of 3 μm or less and having a protective film on the surface.

特許文献14には、Cr含有量を9.5−15%とした鋼を焼ならしおよび焼戻して結晶粒や組織を均一化した後表面に粒子を吹きつけてショット加工層を形成するフェライト系耐熱鋼の加工方法に関する発明が開示されており、特許文献15には、高Crフェライト系耐熱鋼の表面に耐酸化性に優れる保護皮膜を形成する粉末をショット材としてショットピーニング処理を行なった後、予備酸化処理を行ない、鋼表面に酸化物の保護皮膜を形成させる表面処理方法に関する発明が開示されている。また、特許文献16には、Crを含有するフェライト系耐熱鋼の表面にCrを含む粉末粒子を担持させて、高温下でCr濃度の高いCr酸化物層を生成させることを特徴とする改善方法が開示されている。   Patent Document 14 discloses a ferrite system in which a steel having a Cr content of 9.5 to 15% is normalized and tempered to uniformize crystal grains and structures and then sprayed onto the surface to form a shot processed layer. An invention relating to a heat-resistant steel processing method is disclosed, and Patent Document 15 discloses a shot peening treatment using a powder that forms a protective film with excellent oxidation resistance on the surface of a high Cr ferritic heat-resistant steel as a shot material. An invention relating to a surface treatment method in which a pre-oxidation treatment is performed to form an oxide protective film on the steel surface is disclosed. Patent Document 16 discloses an improvement method characterized by supporting Cr powder particles on the surface of a ferritic heat-resistant steel containing Cr to produce a Cr oxide layer having a high Cr concentration at a high temperature. Is disclosed.

特開昭53−114722号公報JP-A-53-114722 特開昭54−138814号公報JP 54-138814 A 特開昭55−58329号公報JP-A-55-58329 特開昭58−39733号公報JP 58-39733 A 特開昭58−133352号公報JP 58-133352 A 特開昭49−135822号公報JP-A-49-135822 特開昭52−8930号公報JP 52-8930 A 特開昭63−54598号公報JP-A-63-54598 特開平6−322489号公報JP-A-6-322489 特開2006−307313号公報JP 2006-307313 A 特開2004−132437号公報JP 2004-132437 A 特開平11−92880号公報JP-A-11-92880 特開2004−156075号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-156075 特開2002−285236号公報JP 2002-285236 A 特開2005−298878号公報JP 2005-298878 A 特開2007−39745号公報JP 2007-39745 A

前記(A)に示した技術は、クリープ破断強度の低下および応力腐食割れを改善するために高温度で溶体化熱処理を施すものである。しかし、溶体化熱処理は、上記の改善効果と共に、加工により結晶粒内に導入されたひずみを除去し、再結晶が生じる。そして、鋼管の化学組成によっては、溶体化処理により成長した結晶粒が大きくなりすぎて、鋼表面の細粒層を安定して維持するのが困難になる。その結果、冷間加工処理で向上させた耐水蒸気酸化性を低下させる場合がある。   The technique shown in the above (A) is a solution heat treatment at a high temperature in order to improve the decrease in creep rupture strength and stress corrosion cracking. However, the solution heat treatment removes strain introduced into the crystal grains by processing together with the above improvement effect, and recrystallization occurs. Depending on the chemical composition of the steel pipe, the crystal grains grown by the solution treatment become too large, and it becomes difficult to stably maintain the fine grain layer on the steel surface. As a result, the steam oxidation resistance improved by cold working may be reduced.

前記(B)に示した技術は、管の水蒸気酸化に対する抵抗性を若干改善できるものの、ボイラ使用中に管内表面層が極度に鋭敏化されるため、停缶(運転停止)時に応力腐食割れが発生する危険性がある。   Although the technique shown in (B) can slightly improve the resistance of the pipe to steam oxidation, the surface layer in the pipe is extremely sensitized during use of the boiler. There is a risk of occurrence.

このように、(A)および(B)に示した技術は、いずれも実用化に当たっては多くの問題を包含している。   As described above, the techniques shown in (A) and (B) both include many problems in practical use.

前記(C)に示した技術は、現用の事業用ボイラ、即ち、蒸気温度が566℃(1050°F)のボイラにおける水蒸気酸化防止策として有効な技術の一つとして位置づけられており、オーステナイトステンレス鋼製のボイラ用鋼管の一部に適用されている。しかし、例えば、621℃(1150°F)という、新規プラントに採用される高効率ボイラの蒸気温度では、過熱器管および再熱器管の管壁温度が現用ボイラよりも50〜100℃も高くなる。650℃、700℃といった更に蒸気温度を高温化した運転条件のボイラも検討されている。このような高温域では、前記(C)に示す技術による水蒸気酸化抑制効果を長時間持続させることが困難となる。   The technology shown in (C) is positioned as one of the effective technologies for preventing steam oxidation in current commercial boilers, that is, boilers having a steam temperature of 566 ° C. (1050 ° F.). It is applied to a part of steel pipes for boilers. However, for example, at a steam temperature of a high-efficiency boiler employed in a new plant of 621 ° C. (1150 ° F.), the wall temperature of the superheater pipe and the reheater pipe is 50 to 100 ° C. higher than that of the current boiler. Become. Boilers with operating conditions with higher steam temperatures such as 650 ° C. and 700 ° C. are also being studied. In such a high temperature range, it is difficult to maintain the effect of inhibiting steam oxidation by the technique shown in (C) for a long time.

(D)に示した技術によれば、スケールの保護性を延長維持し得るが、鋼管の使用時間を考慮すると十分とは言えない。また、(E)に示した技術は、高い加工度の冷間加工を付与することができるが、これは、初期のスケール形成に対しては有効であるものの、長時間の維持には課題を残す。また、超音波衝撃処理装置の導入および運転コストの問題もある。   According to the technique shown in (D), the protective property of the scale can be extended and maintained, but it cannot be said that it is sufficient in consideration of the usage time of the steel pipe. In addition, the technique shown in (E) can provide cold work with a high degree of work, which is effective for initial scale formation, but has a problem in maintaining for a long time. leave. There is also a problem of introduction and operation cost of the ultrasonic impact treatment apparatus.

(F)に示した技術は、Cr酸化皮膜が形成され難いフェライト系耐熱鋼に密着性の高い保護皮膜を形成させることができるので、保護皮膜による若干の耐水蒸気酸化特性の向上が期待できるが、長時間使用を考慮した本質的な解決に至っていない。   The technique shown in (F) can form a protective film with high adhesion on a ferritic heat resistant steel in which a Cr oxide film is difficult to be formed. However, it has not reached an essential solution considering long-term use.

本発明は、上記の従来技術の問題を解決するためになされたものであり、格段に優れた耐水蒸気酸化性を有する鋼管を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a steel pipe having extremely excellent steam oxidation resistance.

本発明者らは、耐水蒸気酸化性を維持する鋼管における本質的な問題を究明するべく、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得るに至った。   As a result of intensive studies to investigate the essential problems in steel pipes that maintain steam oxidation resistance, the present inventors have obtained the following knowledge.

(a)溶体化熱処理後加工を施さなかった材料、即ち、溶体加熱処理ままの材料の表面を高温の水蒸気に接触させると、表面に二層スケールと言われる分厚い水蒸気酸化スケールが生じる。これに対し、溶体化熱処理に加工を施した材料を高温の水蒸気と接触させると、Cr23等の成長速度の遅いCr酸化スケールが鋼表面にきわめて薄く、かつ均一に生成する。 (A) When the surface of a material that has not been processed after the solution heat treatment, that is, the material that has been subjected to the solution heat treatment, is brought into contact with high-temperature steam, a thick steam oxide scale called a two-layer scale is formed on the surface. On the other hand, when a material processed by solution heat treatment is brought into contact with high-temperature water vapor, a Cr oxide scale having a slow growth rate such as Cr 2 O 3 is extremely thin and uniformly formed on the steel surface.

(b)この保護性に富むCr酸化スケールは、材料温度が600℃以下では長時間にわたって安定に存在しえるので、材料表面には、二層スケールの生成はほとんど認められない。しかし、材料温度が600℃を超えるような高温域では、Cr酸化スケールは、水蒸気酸化の初期段階において均一に生成していても、長時間使用時に部分的に弱い箇所から異常酸化を起こし、最終的には分厚いスケールが材料表面全体を覆うようになる。   (B) Since this Cr oxide scale having a high protective property can exist stably for a long time at a material temperature of 600 ° C. or lower, the generation of a two-layer scale is hardly observed on the material surface. However, in a high temperature range where the material temperature exceeds 600 ° C., even if the Cr oxide scale is uniformly generated in the initial stage of steam oxidation, abnormal oxidation occurs from a weak spot partially during long-time use. In particular, a thick scale covers the entire material surface.

(c)Cr酸化スケールの剥離、割れ等の欠陥発生については、従来知られている方法によりある程度低減することはできるが、これを完全に抑制することは難しい。   (C) Although the occurrence of defects such as peeling and cracking of Cr oxide scale can be reduced to some extent by a conventionally known method, it is difficult to completely suppress this.

(d)Cr酸化スケールに欠陥が生じても、その箇所で保護性を有する酸化スケールが再形成するいわゆる「修復」がおこれば異常酸化を発生させるには至らない。このようなすなわち、鋼表面に形成した加工層に修復機能を与えれば、長時間にわたり耐水蒸気酸化特性を維持することができる。   (D) Even if a defect occurs in the Cr oxide scale, abnormal oxidation does not occur if so-called “repair” occurs in which a protective oxide scale is re-formed at that location. In other words, if a repair function is given to the processed layer formed on the steel surface, the steam oxidation resistance can be maintained for a long time.

本発明者らは、この修復挙動に対して、鋼表面の加工層の加熱による組織変化に着目した研究をさらに進め、下記の新たな知見を得た。   The inventors of the present invention further advanced research focusing on the structural change caused by heating of the processed layer on the steel surface, and obtained the following new knowledge.

(e)鋼管表面に付与される加工の加工度が小さい場合、高温での使用中にひずみが消失するいわゆる回復が起こるのみで、結晶粒径は変化しない。このとき、Cr酸化スケール直下の加工層は、加工を施さない溶体化処理のままの材料表面に近い組織状態に変化する。このような加工層では、酸化スケールに剥離等が生じた場合の修復が不十分となる。   (E) When the degree of processing applied to the surface of the steel pipe is small, so-called recovery in which strain disappears during use at a high temperature occurs, and the crystal grain size does not change. At this time, the processed layer directly under the Cr oxide scale changes to a texture state close to the surface of the material as it is as a solution treatment that is not processed. Such a processed layer is insufficiently repaired when peeling or the like occurs in the oxide scale.

(f)鋼管表面に付与される加工の加工度を高めていくと、高温での使用中に核生成と成長、すなわち再結晶が生じる。この再結晶組織は非常に微細な粒径を有しているため、Crの粒界拡散が容易となる。その結果、Cr酸化スケールの形成に必要なCrが材料内部から十分に供給できるので、修復が可能となる。   (F) When the degree of processing applied to the steel pipe surface is increased, nucleation and growth, that is, recrystallization occurs during use at a high temperature. Since this recrystallized structure has a very fine grain size, the grain boundary diffusion of Cr becomes easy. As a result, the Cr necessary for forming the Cr oxide scale can be sufficiently supplied from the inside of the material, so that the repair is possible.

(g)鋼管表面に付与される加工の加工度が高いと、材料の最表面に微細な再結晶組織が形成される。加工段階でこのような微細粒組織が形成される理由は定かではないが、非常に大きな加工が加わることにより再結晶のための駆動力が高まり、通常高温で起こる再結晶が低い温度でも起きたものと考えられる。この組織は、極めて微細な結晶粒からなるため、Crの粒界拡散が容易となり加熱初期のCr酸化スケール形成の均一性がさらに高まる。その結果、剥離等の欠陥となる弱い箇所を低減することができるという効果もある。   (G) When the degree of processing applied to the steel pipe surface is high, a fine recrystallized structure is formed on the outermost surface of the material. The reason why such a fine grain structure is formed in the processing stage is not clear, but the driving force for recrystallization is increased by adding very large processing, and recrystallization that usually occurs at high temperatures occurs even at low temperatures. It is considered a thing. Since this structure consists of very fine crystal grains, the grain boundary diffusion of Cr is facilitated, and the uniformity of Cr oxide scale formation in the initial stage of heating is further enhanced. As a result, there is an effect that it is possible to reduce weak spots that become defects such as peeling.

このように、高温において長時間にわたり鋼管の耐水蒸気酸化特性を維持するためには、保護性に富む酸化スケールを初期段階において均一に形成させ、スケールの剥離を抑制するとともに、仮にスケール剥離は生じた場合でも修復できることが必要である。   As described above, in order to maintain the steam oxidation resistance of the steel pipe at a high temperature for a long time, a protective oxide scale is uniformly formed in the initial stage to suppress the scale peeling and the scale peeling occurs temporarily. It is necessary to be able to repair even if it is.

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、下記(i)〜(v)の耐水蒸気酸化性に優れた鋼管を要旨とする。   The present invention has been made on the basis of such findings, and the gist thereof is the steel pipe having excellent steam oxidation resistance (i) to (v) below.

(i)質量%で、Crを8〜28%含有する鋼管であって、その内表面に加工層を有し、下記の(1)式を満足する耐水蒸気酸化性に優れた鋼管。
α≧0.5 ・・・(1)
但し、(1)式中のαは下記式で示される。
α={Hv20−Hvt/2}/Hvt/2
ここで、Hv20は、鋼管内表面からの深さが20μmの位置におけるビッカース硬度、Hvt/2は、鋼管内表面からの深さがt/2(t:鋼管の肉厚)の位置におけるビッカース硬度をそれぞれ意味する。
(i) A steel pipe containing 8 to 28% by mass of Cr and having a processed layer on its inner surface and excellent in steam oxidation resistance satisfying the following formula (1).
α ≧ 0.5 (1)
However, (alpha) in (1) Formula is shown by a following formula.
α = {Hv 20 −Hv t / 2 } / Hv t / 2
Here, Hv 20 is Vickers hardness at a position where the depth from the inner surface of the steel pipe is 20 μm, and Hv t / 2 is a position where the depth from the inner surface of the steel pipe is t / 2 (t: the thickness of the steel pipe). Each means Vickers hardness.

(ii)前記加工層が、その表面から深さ1μmの位置における結晶粒径が1μm以下である結晶組織を有する上記(i)の耐水蒸気酸化性に優れた鋼管。   (ii) The steel pipe excellent in steam oxidation resistance as described in (i) above, wherein the processed layer has a crystal structure having a crystal grain size of 1 μm or less at a depth of 1 μm from the surface.

(iii)前記鋼管が、質量%で、Crを8〜28%含有するフェライト系耐熱鋼管で構成されている上記(i)または(ii)の耐水蒸気酸化性に優れた鋼管。   (iii) The steel pipe having excellent steam oxidation resistance according to the above (i) or (ii), wherein the steel pipe is composed of a ferritic heat-resistant steel pipe containing 8 to 28% by mass of Cr.

(iv)前記鋼管が、質量%で、Crを15〜28%、Niを6〜30%含有するオーステナイト系ステンレス鋼で構成されている上記(i)または(ii)の耐水蒸気酸化性に優れた鋼管。   (iv) The steel pipe is composed of austenitic stainless steel containing 15% to 28% Cr and 6% to 30% by mass%, and has excellent steam oxidation resistance as described in (i) or (ii) above. Steel pipe.

(v)前記加工層が、粒子吹き付けによって形成された加工層である上記(i)から(iv)までのいずれかの耐水蒸気酸化性に優れた鋼管。   (v) The steel pipe excellent in steam oxidation resistance according to any one of (i) to (iv) above, wherein the processed layer is a processed layer formed by spraying particles.

本発明によれば、使用の初期段階において鋼管の表面に保護性に優れたスケールを均一に形成することができ、スケールの剥離を抑制することができるとともに、仮にスケールの剥離が発生した場合でも、修復機能を有しているので、600℃を超えるような高温の使用条件においても、異常酸化が発生しにくい。   According to the present invention, it is possible to uniformly form a scale having excellent protective properties on the surface of the steel pipe in the initial stage of use, and it is possible to suppress the peeling of the scale and even if the peeling of the scale occurs. Since it has a repair function, abnormal oxidation is unlikely to occur even under high temperature use conditions exceeding 600 ° C.

使用の初期段階において鋼管の表面に保護性に優れたスケールを均一に形成することができ、スケールの剥離を抑制することができるとともに、仮にスケールの剥離が発生した場合でも、修復機能を有する鋼管を得るためには、制御された加工条件によって、鋼管内表面に下記(1)式を満足する加工層を形成させる必要がある。
α≧0.5 ・・・(1)
但し、(1)式中のαは下記式で示される。
α={Hv20−Hvt/2}/Hvt/2
ここで、Hv20は、鋼管内表面からの深さが20μmの位置におけるビッカース硬度、Hvt/2は、鋼管内表面からの深さがt/2(t:鋼管の肉厚)の位置におけるビッカース硬度をそれぞれ意味する。
A steel pipe having a protective function can be uniformly formed on the surface of the steel pipe at the initial stage of use, scale peeling can be suppressed, and even if scale peeling occurs, the steel pipe has a repair function. Therefore, it is necessary to form a processing layer that satisfies the following expression (1) on the inner surface of the steel pipe under controlled processing conditions.
α ≧ 0.5 (1)
However, (alpha) in (1) Formula is shown by a following formula.
α = {Hv 20 −Hv t / 2 } / Hv t / 2
Here, Hv 20 is Vickers hardness at a position where the depth from the inner surface of the steel pipe is 20 μm, and Hv t / 2 is a position where the depth from the inner surface of the steel pipe is t / 2 (t: the thickness of the steel pipe). Each means Vickers hardness.

上記(1)で規定される「α」は、硬度増加率であり、鋼管内表面から20μm深さにおけるビッカース硬度と鋼管肉厚中央部のビッカース硬度との差を鋼管肉厚中央部のビッカース硬度で除している。この値が大きいほど大きな加工が導入されたと言える。そして、αが0.5以上であれば、高温での使用中に、鋼管内表面から20μmまでの範囲における加工層において再結晶が生じる。従って、αが0.5以上の加工層であれば、仮に高温での使用中に保護性に富むスケールに剥離が生じても、剥離箇所の修復が可能となる。   “Α” defined in the above (1) is the rate of increase in hardness, and the difference between the Vickers hardness at a depth of 20 μm from the inner surface of the steel pipe and the Vickers hardness at the central part of the steel pipe thickness is the Vickers hardness at the central part of the steel pipe thickness. Divided by. It can be said that the larger the value, the larger the processing was introduced. And if (alpha) is 0.5 or more, recrystallization will arise in the processed layer in the range from a steel pipe inner surface to 20 micrometers during use at high temperature. Therefore, if α is a processed layer having a value of 0.5 or more, the peeled portion can be repaired even if peeling occurs on the protective scale during use at a high temperature.

αは、大きいほど再結晶が起こりやすく、かつ微細な再結晶粒となるため、特に上限は設けないが、表面が著しく硬くなると、成形加工、溶接などにおいて問題が生じる場合があるので、その上限は2とするのが好ましい。また、αの好ましい下限は、0.6である。より好ましい下限は0.7である。   α is more likely to recrystallize and become finer recrystallized grains, so there is no particular upper limit. However, if the surface becomes extremely hard, problems may occur in forming, welding, etc. Is preferably 2. Moreover, the preferable minimum of (alpha) is 0.6. A more preferred lower limit is 0.7.

鋼管内表面に付与される加工の加工度が大きくなるほど、より微細な結晶組織が形成される。そして、微細結晶組織は、高温において表面へのCr供給を容易にし、特に、使用の初期段階における異常酸化を防止して、Cr酸化スケールの均一な形成に寄与する。この効果は、加工層の表層部分における結晶粒径と相関関係がある。即ち、加工層の表面から深さ1μmの位置における結晶粒径が1μm以下である場合に、使用の初期段階におけるCr酸化スケールの均一な形成が得られやすくなる。微細結晶の結晶粒径は800nm以下とするのが好ましく、より好ましいのは500nm以下である。なお、この微細結晶組織は、鋼管内表面から深さ1μmまでの範囲において形成されておればよいが、更に、深さが1μmを超える範囲にまで形成されていてもよい。   As the degree of processing applied to the inner surface of the steel pipe increases, a finer crystal structure is formed. The fine crystal structure facilitates the supply of Cr to the surface at a high temperature, and particularly prevents abnormal oxidation in the initial stage of use, thereby contributing to the uniform formation of Cr oxide scale. This effect has a correlation with the crystal grain size in the surface layer portion of the processed layer. That is, when the crystal grain size at a depth of 1 μm from the surface of the processed layer is 1 μm or less, uniform formation of Cr oxide scale at the initial stage of use can be easily obtained. The crystal grain size of the fine crystals is preferably 800 nm or less, and more preferably 500 nm or less. The fine crystal structure may be formed in a range from the inner surface of the steel pipe to a depth of 1 μm, but may further be formed in a range where the depth exceeds 1 μm.

本発明の対象となる管は、合金鋼管、フェライト系、オーステナイト系等の耐熱鋼管等である。具体的な材質に関しては特段の制約はないが、管の内表面に生成するスケールはCrの酸化物を主体とするものでなければならないので、管の材料は質量%でCrを8〜28%含有する鋼管であることが必要である。また、管の材料はCrを8〜28質量%含有するフェライト系合金鋼もしくはステンレス鋼からなる耐熱鋼、または、Crを15〜28質量%およびNiを6〜30質量%含有するオーステナイト系ステンレス鋼であることが望ましい。   The pipe | tube used as the object of this invention is heat-resistant steel pipes, such as an alloy steel pipe, a ferritic type, and an austenitic type. There are no particular restrictions on the specific material, but the scale generated on the inner surface of the tube must be mainly composed of Cr oxide, so the tube material is 8% to 28% Cr by mass%. It is necessary to be a steel pipe containing. The tube material is a heat-resistant steel made of ferritic alloy steel or stainless steel containing 8 to 28% by mass of Cr, or an austenitic stainless steel containing 15 to 28% by mass of Cr and 6 to 30% by mass of Ni. It is desirable that

本発明の対象となる管の材料を例示すれば、JIS規格で定められるSTBA26の合金鋼、SUS410のようなフェライト系ステンレス鋼、SUS304、SUS309、SUS310、SUS316、SUS321、SUS347等のオーステナイト系ステンレス鋼、およびそれらの相当鋼が挙げられる。適用できる鋼種の化学組成を例示すれば、下記のとおりである。なお、以下の記述において成分含有量に関する%は「質量%」を意味する。   For example, the material of the pipe that is the subject of the present invention is STBA26 alloy steel defined by JIS standard, ferritic stainless steel such as SUS410, austenitic stainless steel such as SUS304, SUS309, SUS310, SUS316, SUS321, and SUS347. , And their equivalent steels. Examples of the chemical composition of applicable steel types are as follows. In the following description, “%” regarding the component content means “mass%”.

(α)C:0.2%以下、Si:2.0%以下、Mn:0.1〜3.0%、Cr:8〜28%を含み、残部はFeおよび不純物からなるフェライト系耐熱鋼。この鋼は、必要に応じて、Ni:1.5%以下、Mo:5%以下、W:10%以下、Cu:5%以下、N:0.3%以下、V:1.0%以下、Nb:1.5%以下、Ti:0.5%以下、Ca:0.2%以下、Mg:0.2%以下、Al:0.2%以下、B:0.2%以下、希土類元素:0.2%以下の中から選んだ1種以上を含有してもよい。   (Α) Ferritic heat resistant steel containing C: 0.2% or less, Si: 2.0% or less, Mn: 0.1 to 3.0%, Cr: 8 to 28%, the balance being Fe and impurities . If necessary, this steel is Ni: 1.5% or less, Mo: 5% or less, W: 10% or less, Cu: 5% or less, N: 0.3% or less, V: 1.0% or less Nb: 1.5% or less, Ti: 0.5% or less, Ca: 0.2% or less, Mg: 0.2% or less, Al: 0.2% or less, B: 0.2% or less, rare earth Element: One or more elements selected from 0.2% or less may be contained.

(β)C:0.2%以下、Si:2.0%以下、Mn:0.1〜3.0%、Cr:15〜28%、Ni:6〜30%を含有し、残部はFeおよび不純物からなるオーステナイト系ステンレス鋼。この鋼は、必要に応じて、Mo:5%以下、W:10%以下、Cu:5%以下、N:0.3%以下、V:1.0%以下、Nb:1.5%以下、Ti:0.5%以下、Ca:0.2%以下、Mg:0.2%以下、Al:0.2%以下、B:0.2%以下、希土類元素:0.2%以下の中から選んだ1種以上を含有してもよい。   (Β) C: 0.2% or less, Si: 2.0% or less, Mn: 0.1-3.0%, Cr: 15-28%, Ni: 6-30%, the balance being Fe And austenitic stainless steel consisting of impurities. This steel has Mo: 5% or less, W: 10% or less, Cu: 5% or less, N: 0.3% or less, V: 1.0% or less, Nb: 1.5% or less as required. Ti: 0.5% or less, Ca: 0.2% or less, Mg: 0.2% or less, Al: 0.2% or less, B: 0.2% or less, rare earth element: 0.2% or less You may contain 1 or more types chosen from the inside.

以下、上記の鋼種の各成分の作用効果と含有量の限定理由について説明する。   Hereafter, the effect of each component of said steel type and the reason for limitation of content are demonstrated.

C:0.2%以下
Cは、強度およびクリープ強度を確保するのに有効な元素である。その効果を得るためには0.01%以上含有させるのが好ましい。しかし、その含有量が0.2%を超えると、固溶化処理状態で未固溶の炭化物が残存して、高温強度の向上に寄与しなくなる場合がある。また、靭性等の機械的性質に悪影響を及ぼすおそれがある。従って、Cの含有量は0.2%以下とするのが望ましい。なお、熱間加工性および靭性の劣化の観点からは、0.12%以下とするのが望ましい。
C: 0.2% or less C is an element effective for securing strength and creep strength. In order to acquire the effect, it is preferable to make it contain 0.01% or more. However, if its content exceeds 0.2%, undissolved carbides remain in the solution treatment state, and may not contribute to the improvement of high temperature strength. Further, it may adversely affect mechanical properties such as toughness. Therefore, the C content is desirably 0.2% or less. In addition, from the viewpoint of hot workability and toughness deterioration, the content is preferably 0.12% or less.

Si:2.0%以下
Siは、脱酸剤として用いられる元素であり、しかも耐水蒸気酸化性を向上させるのに有効な元素である。その効果は、0.1%以上含有させると顕著となる。一方、含有量が多くなると溶接性または熱間加工性が劣化するため、その含有量は2.0%以下とするのが望ましい。Siの望ましい含有量は0.8%以下である。
Si: 2.0% or less Si is an element used as a deoxidizer, and is an element effective for improving the steam oxidation resistance. The effect becomes remarkable when it contains 0.1% or more. On the other hand, since the weldability or hot workability deteriorates when the content increases, the content is desirably 2.0% or less. A desirable content of Si is 0.8% or less.

Mn:0.1〜3.0%
Mnは、Siと同様に脱酸剤として有効である。また、Mnは、不純物として含有されるSに起因する熱間加工性の劣化を抑止する作用がある。脱酸効果および熱間加工性改善をするために、Mnは0.1%以上含有させる。しかし、過度の含有は脆化を招くため、含有量の上限は3.0%とするのが望ましい。より望ましい上限は2.0%である。
Mn: 0.1 to 3.0%
Mn is effective as a deoxidizer in the same manner as Si. Moreover, Mn has the effect | action which suppresses deterioration of the hot workability resulting from S contained as an impurity. In order to improve the deoxidation effect and hot workability, Mn is contained in an amount of 0.1% or more. However, excessive content causes embrittlement, so the upper limit of the content is preferably 3.0%. A more desirable upper limit is 2.0%.

Cr:8〜28%(フェライト系耐熱鋼の場合)または
15〜28%(オーステナイト系ステンレス鋼の場合)
Crは、高温強度に寄与すると共に、鋼管内表面にCrの酸化物を主体とするスケールを生成させて、耐酸化性および耐食性を向上させるのに有効な元素である。その効果が顕著となるのは、フェライト系耐熱鋼では8%以上、オーステナイト系ステンレス鋼では15%以上含有された場合である。しかし、Crを過剰に含有させると、靭性および熱間加工性が劣化するおそれがあるため、フェライト系耐熱鋼およびオーステナイト系ステンレス鋼のいずれの場合においても、その含有量の上限は28%とするのが望ましい。
Cr: 8 to 28% (for ferritic heat resistant steel) or 15 to 28% (for austenitic stainless steel)
Cr is an element that contributes to high-temperature strength and is effective in improving the oxidation resistance and corrosion resistance by generating a scale mainly composed of Cr oxide on the inner surface of the steel pipe. The effect becomes remarkable when the ferritic heat-resistant steel contains 8% or more and the austenitic stainless steel contains 15% or more. However, if Cr is excessively contained, toughness and hot workability may be deteriorated. Therefore, the upper limit of the content is 28% in both cases of ferritic heat resistant steel and austenitic stainless steel. Is desirable.

Ni:1.5%以下(フェライト系耐熱鋼の場合)または
6〜30%(オーステナイト系ステンレス鋼の場合)
フェライト系耐熱鋼の場合、Niは、靭性の改善に効果がある。この効果は、0.1%以上含有された場合に顕著となる。しかし、その含有量が1.5%を超えるとクリープ破断強さが低下するおそれがある。
Ni: 1.5% or less (for ferritic heat resistant steel) or 6 to 30% (for austenitic stainless steel)
In the case of ferritic heat resistant steel, Ni is effective in improving toughness. This effect becomes significant when the content is 0.1% or more. However, if the content exceeds 1.5%, the creep rupture strength may be reduced.

一方、オーステナイト系ステンレス鋼の場合、Niは、オーステナイト組織を安定化させ、かつクリープ強度の向上に必要な元素である。この効果は、6%以上含有された場合に顕著となる。しかし、多量に添加しても効果が飽和してコストの増大を招くだけなので上限は30%とするのが望ましい。好ましい上限は25%である。   On the other hand, in the case of austenitic stainless steel, Ni is an element necessary for stabilizing the austenitic structure and improving the creep strength. This effect becomes significant when the content is 6% or more. However, even if a large amount is added, the effect is saturated and the cost is increased, so the upper limit is desirably 30%. A preferred upper limit is 25%.

Mo:5%以下
W:10%以下
Cu:5%以下
Mo、WおよびCuは、鋼の高温強度を高めるので含有させるのが好ましい。その効果は、少なくともいずれか一種を0.1%以上含有させることで発揮される。また、多量の含有では溶接性や加工性を損なうため、上限をMoおよびCuではそれぞれで5%、Wでは10%とする。
Mo: 5% or less W: 10% or less Cu: 5% or less Mo, W and Cu are preferably contained because they increase the high-temperature strength of the steel. The effect is exhibited by containing at least one of at least 0.1%. In addition, since the weldability and workability are impaired when a large amount is contained, the upper limit is 5% for Mo and Cu, and 10% for W.

N:0.3%以下
Nは、鋼の固溶強化に寄与し、また他の元素と結合して析出強化作用により鋼を強化する効果がある。その効果を得たい場合には0.005%以上含有させる。しかし、0.3%を超えると延性や溶接性が劣化する場合がある。
N: 0.3% or less N contributes to solid solution strengthening of steel, and also has an effect of strengthening steel by precipitation strengthening action by combining with other elements. When it is desired to obtain the effect, 0.005% or more is contained. However, if it exceeds 0.3%, ductility and weldability may deteriorate.

V:1.0%以下
Nb:1.5%以下
Ti:0.5%以下
V、NbおよびTiは、いずれも炭素および窒素と結合して炭窒化物を形成し、析出強化に寄与する元素であるので、必要に応じて添加することができる。この効果を得たい場合は、これらの元素から選択される1種以上を0.01%以上含有させるのが好ましい。一方、これらの含有量が過剰な場合、鋼の加工性が損なわれるおそれがあるので、Vは1.0%以下、Nbは1.5%以下、Tiは0.5%以下とするのが望ましい。
V: 1.0% or less Nb: 1.5% or less Ti: 0.5% or less V, Nb and Ti all combine with carbon and nitrogen to form carbonitrides and contribute to precipitation strengthening Therefore, it can be added as necessary. In order to obtain this effect, it is preferable to contain 0.01% or more of one or more selected from these elements. On the other hand, if these contents are excessive, the workability of the steel may be impaired. Therefore, V is 1.0% or less, Nb is 1.5% or less, and Ti is 0.5% or less. desirable.

Ca:0.2%以下
Mg:0.2%以下
Al:0.2%以下
B:0.2%以下
希土類元素:0.2%以下
Ca、Mg、Al、Bおよび希土類元素(La、Ce、Y、Pd、Nd等)は、いずれも強度、加工性および耐水蒸気酸化性を向上させる効果があるので、必要に応じて添加することができる。これらの効果を得たい場合には、これらの元素から選択される1種以上をそれぞれ0.0001%以上含有させるのが好ましい。一方、これらの元素の含有量それぞれが0.2%を超えると加工性または溶接性が損なわれるおそれがある。なお、ここで希土類元素とは、ランタノイドの15元素にYおよびScを合わせた17元素を意味する。
Ca: 0.2% or less Mg: 0.2% or less Al: 0.2% or less B: 0.2% or less Rare earth elements: 0.2% or less Ca, Mg, Al, B and rare earth elements (La, Ce , Y, Pd, Nd, etc.) all have the effect of improving strength, workability, and steam oxidation resistance, and can be added as necessary. In order to obtain these effects, it is preferable to contain 0.0001% or more of one or more selected from these elements. On the other hand, if the content of these elements exceeds 0.2%, workability or weldability may be impaired. Here, the rare earth element means 17 elements in which Y and Sc are added to 15 elements of lanthanoid.

本発明に係る鋼管の製造方法については、特に制限はなく、通常の溶製法、鋳造法、製管法を採用できる。即ち、例えば、上記の化学組成を有する鋼を、溶解、鋳造の後、種々の熱間製管法(押出し製管、押抜き製管、マンネスマン製管等)によって素管となし、この素管に必要に応じて軟化熱処理を施す。熱間素管を冷間圧延や冷間抽伸といった各種冷間加工法によって所望の形状の管とした後、鋼管内面に加工層を形成させる。また、冷間加工によって管とした後、結晶粒の均質化目的で、フェライト系耐熱鋼については焼ならしまたは焼入れ後焼戻しの熱処理を施した後、オーステナイト系ステンレス鋼については溶体化の熱処理を施した後、鋼管内面に加工層を形成させてもよい。   There is no restriction | limiting in particular about the manufacturing method of the steel pipe which concerns on this invention, A normal melting method, a casting method, and a pipe making method are employable. That is, for example, a steel having the above chemical composition is melted and cast, and then made into a raw pipe by various hot pipe making methods (extruded pipe, punched pipe, Mannesmann pipe, etc.). If necessary, softening heat treatment is applied. A hot element tube is formed into a tube having a desired shape by various cold working methods such as cold rolling and cold drawing, and then a processed layer is formed on the inner surface of the steel tube. In addition, after forming into a tube by cold working, for the purpose of homogenizing the crystal grains, the ferritic heat-resistant steel is subjected to heat treatment of normalizing or tempering after quenching, and the austenitic stainless steel is subjected to solution heat treatment. After applying, a processed layer may be formed on the inner surface of the steel pipe.

鋼管内面に加工層を形成する方法については、特に制限はない。例えば、公知のショットピーニング、ショットブラスト、ショット加工、サンドブラスト、サンド加工、エアーブラスト、ウォータージェット等の各種吹付け法を採用することができる。また、吹き付ける粒子についても、その材質、形状等に制限はない。材質としては、例えば、鋼、鋳鋼、ステンレス、ガラス、珪砂、アルミナ、アモルファス等を用いることができる。また、形状としては、例えば、球形、カットワイヤ、グリッド等を用いることができる。粒子は、圧縮空気、羽根車(インペラ式)による遠心力、高圧水、超音波等を用いて吹き付けても良い。また、粒子を液体に混ぜ、圧縮空気等で吹き付けてもよい(液体ホーニング)。その他、研磨加工、ボールミル加工、グラインダー加工、ホーニング加工や超音波による衝撃加工等によって加工層を付与することも可能である。特に、高温で長時間の耐水蒸気酸化特性を安定に確保することが要求される場合には、内表面全面に亘って均一な加工が容易な粒子吹き付けにより加工層を形成することが好ましい。   There is no restriction | limiting in particular about the method of forming a process layer in a steel pipe inner surface. For example, various spraying methods such as known shot peening, shot blasting, shot processing, sand blasting, sand processing, air blasting, and water jet can be employed. Further, the material, shape, etc. of the particles to be sprayed are not limited. Examples of the material that can be used include steel, cast steel, stainless steel, glass, silica sand, alumina, and amorphous. As the shape, for example, a sphere, a cut wire, a grid, or the like can be used. The particles may be sprayed using compressed air, centrifugal force generated by an impeller (impeller type), high-pressure water, ultrasonic waves, or the like. Alternatively, the particles may be mixed with a liquid and sprayed with compressed air or the like (liquid honing). In addition, it is also possible to apply the processing layer by polishing, ball milling, grinder processing, honing processing, ultrasonic impact processing, or the like. In particular, when it is required to stably secure the steam oxidation resistance for a long time at a high temperature, it is preferable to form a processed layer by particle spraying that facilitates uniform processing over the entire inner surface.

これらの方法により、各種条件を調整して、鋼管内表面に上記の条件を満足する加工層を形成させればよい。   By using these methods, various conditions may be adjusted to form a processed layer that satisfies the above conditions on the inner surface of the steel pipe.

表1に示す化学組成の鋼管を種々の条件で作製し、下記に示す方法により加工層の硬さおよび結晶粒径の測定ならびに水蒸気酸化試験を実施した。   Steel pipes having the chemical composition shown in Table 1 were prepared under various conditions, and the hardness and crystal grain size of the processed layer and the steam oxidation test were performed by the methods described below.

Figure 2009068079
Figure 2009068079

なお、鋼No.1、2および6については、実験室で真空溶解し、熱間押出しにより鋼管(外径:80mm、肉厚:12mm)を製造した後、焼ならし・焼戻しの熱処理を実施した。また、鋼No.3および5については、実機電気炉にて溶解し、熱間押出しおよび冷間圧延にて鋼管(外径:50.8mm、肉厚:8mm)を製造した後、溶体化熱処理を実施した。これらの鋼管の内表面に、表2に示す条件で表面処理を実施し、供試材とした。   Steel No. About 1, 2, and 6, after melt | dissolving in a laboratory in vacuum and manufacturing a steel pipe (outer diameter: 80 mm, wall thickness: 12 mm) by hot extrusion, the heat processing of normalization and tempering was implemented. Steel No. 3 and 5 were melted in an actual electric furnace, and a steel pipe (outer diameter: 50.8 mm, wall thickness: 8 mm) was produced by hot extrusion and cold rolling, followed by solution heat treatment. Surface treatment was performed on the inner surfaces of these steel pipes under the conditions shown in Table 2 to obtain test materials.

[加工層の硬さ測定]
各供試材から15mm角の試験片切り出し、その試験片を樹脂に埋め込み、断面を切断して鏡面研磨を施した。各試験片について、鋼管内表面からの深さが20μmの位置および管肉厚の中央位置において、荷重10gのビッカース硬さを測定した。各試験片に付いて5点ずつ測定した。その測定値の平均値をそれぞれの位置のビッカース硬さHv20、Hvt/2として、下記式に代入し、αの値を求めた。
α={Hv20−Hvt/2}/Hvt/2
[Measurement of hardness of processed layer]
A 15 mm square test piece was cut out from each test material, the test piece was embedded in resin, the cross section was cut, and mirror polishing was performed. About each test piece, the Vickers hardness of the load 10g was measured in the position whose depth from the inner surface of a steel pipe is 20 micrometers, and the center position of pipe | tube thickness. Five points were measured on each specimen. The average value of the measured values was assigned to the following equation as Vickers hardness Hv 20 and Hv t / 2 at each position, and the value of α was determined.
α = {Hv 20 −Hv t / 2 } / Hv t / 2

[加工層の結晶粒径]
各供試材から小片の試験片を切り出し、まず、試験片の鋼管断面に該当する面を光学顕微鏡(倍率1000倍)にて観察した。このとき、鋼管内表面から深さ1μmの位置における結晶粒径が1μm以下であった試験片(No.3、4、10および11)については、更に、フィールドイオンビーム(FIB)法によって試料を作製し、各試料の鋼管断面に該当する面を電子顕微鏡(倍率4万倍)にて3視野観察し、鋼管内表面から深さ1μmの位置における結晶粒径を測定した。表2にはその平均値を示す。なお、鋼管内表面から深さ1μmの位置における結晶とは、各視野中、鋼管内表面から深さ1μmの位置に長さ2μmの線分を引き、その線分と交差または接する結晶を意味する。
[Crystal grain size of processed layer]
A small test piece was cut out from each test material, and first, the surface corresponding to the cross section of the steel pipe of the test piece was observed with an optical microscope (1000 times magnification). At this time, for the test pieces (Nos. 3, 4, 10 and 11) having a crystal grain size of 1 μm or less at a depth of 1 μm from the inner surface of the steel pipe, a sample was further prepared by a field ion beam (FIB) method. The surface corresponding to the cross section of the steel pipe of each sample was observed with three fields of view with an electron microscope (magnification 40,000 times), and the crystal grain size at a position 1 μm deep from the inner surface of the steel pipe was measured. Table 2 shows the average values. In addition, the crystal | crystallization in the position of 1 micrometer depth from a steel pipe inner surface means the crystal | crystallization which draws a line segment of length 2 micrometers in the position of 1 micrometer depth from the steel pipe inner surface in each visual field, and crosses or touches the line segment. .

[水蒸気酸化試験]
(1)初期加熱試験
各供試材から2mm厚×10mm幅×25mm長さの短冊状試験片を、管内表面が試験片表面の一部になるように切り出した。この試験片を冶具に吊り下げた形で保持し、横型管状加熱炉に挿入し、650℃で1000時間、溶存酸素量100ppbの水蒸気雰囲気中で酸化試験を行った。炉冷後に取り出した試験片を樹脂に埋め込み、断面を切断して鏡面研磨を施した後、鋼管内表面に生成した酸化スケール断面を光学顕微鏡で観察してスケール厚さを測定した。スケール厚さは500倍で任意の10視野で計測し、その厚みの平均値を算出した。
[Steam oxidation test]
(1) Initial heating test A strip-shaped test piece having a thickness of 2 mm, a width of 10 mm, and a length of 25 mm was cut from each specimen so that the inner surface of the tube became a part of the surface of the test piece. The test piece was held in a form suspended from a jig, inserted into a horizontal tubular heating furnace, and subjected to an oxidation test at 650 ° C. for 1000 hours in a water vapor atmosphere having a dissolved oxygen content of 100 ppb. The test piece taken out after the furnace cooling was embedded in a resin, the cross section was cut and mirror-polished, and the oxide scale cross section generated on the inner surface of the steel pipe was observed with an optical microscope to measure the scale thickness. The scale thickness was 500 times, measured in 10 arbitrary fields of view, and the average value of the thicknesses was calculated.

(2)修復試験
初期加熱試験後の試験片を、アルカリおよびクエン酸浴中に繰り返し浸し、表面に生成した酸化スケールを化学的に除去し、模擬剥離処理を施した。この模擬剥離処理を施した試験片を再び加熱炉に挿入し、650℃×1000時間、溶存酸素量100ppbの水蒸気酸化試験を行った。炉冷後に試験片を取り出し、上述と同様の方法によって、生成した酸化スケール断面を観察し、酸化スケール厚みの平均値を算出した。
(2) Restoration test The test piece after the initial heating test was repeatedly immersed in an alkali and citric acid bath to chemically remove the oxide scale formed on the surface, and subjected to a simulated peeling treatment. The test piece subjected to the simulated exfoliation treatment was again inserted into a heating furnace, and a steam oxidation test was performed at 650 ° C. × 1000 hours and a dissolved oxygen amount of 100 ppb. After the furnace was cooled, the test piece was taken out, and the generated oxide scale cross section was observed by the same method as described above, and the average value of the oxide scale thickness was calculated.

なお、いずれの試験においても、15μm以下の酸化スケールを良好と判断した。   In any test, an oxide scale of 15 μm or less was judged to be good.

Figure 2009068079
Figure 2009068079

表2に示すように、本発明で必要とする量より低いCr含有量のNo.12は、いずれの実験においても厚い酸化スケールが形成されていた。本発明で規定される化学組成を満足するが、表面処理を実施しなかったNo.1およびNo.7においては、初期加熱試験後および修復試験後ともに厚い酸化スケールが形成されていた。本発明で規定される化学組成を満足するが、αが本発明で規定される範囲外であったNo.2およびNo.8においては、修復試験後の酸化スケールは厚かった。これに対して、No.3〜6および9〜11は、初期加熱試験後および修復試験後ともに酸化スケールは15μm以下と薄く、優れた耐水蒸気酸化特性を示していた。   As shown in Table 2, No. 1 having a Cr content lower than that required in the present invention. No. 12, a thick oxide scale was formed in any experiment. Although the chemical composition defined in the present invention was satisfied, no surface treatment was performed. 1 and no. In No. 7, a thick oxide scale was formed both after the initial heating test and after the repair test. Although satisfying the chemical composition defined in the present invention, α was outside the range defined in the present invention. 2 and no. In No. 8, the oxide scale after the repair test was thick. In contrast, no. In 3-6 and 9-11, the oxide scale was as thin as 15 μm or less both after the initial heating test and after the repair test, indicating excellent steam oxidation resistance.

なお、No.9は、αが本発明で規定される範囲を満足するが、加工層の表面から深さ1μmの位置での結晶粒径が1μmを超えていた。この例では、初期加熱試験後の鋼管内表面の一部に異常酸化が見られ、その結果、修復試験後のスケール厚さが増大した。   In addition, No. In No. 9, α satisfies the range defined by the present invention, but the crystal grain size at a depth of 1 μm from the surface of the processed layer exceeded 1 μm. In this example, abnormal oxidation was observed on a part of the inner surface of the steel pipe after the initial heating test, and as a result, the scale thickness after the repair test increased.

以上の結果を材質別に比較すると、オーステナイト系ステンレス鋼が最も薄い酸化スケールが生成しており、フェライト系ステンレス鋼、高Cr合金鋼の順にスケール厚さが厚くなっており、オーステナイト系ステンレス鋼の方が耐水蒸気酸化性に優れることが分かる。   Comparing the above results by material, austenitic stainless steel produced the thinnest oxide scale, and the scale thickness increased in the order of ferritic stainless steel and high Cr alloy steel. It is understood that is excellent in steam oxidation resistance.

本発明によれば、使用の初期段階において鋼管の表面に保護性に優れたスケールを均一に形成することができ、スケールの剥離を抑制することができるとともに、仮にスケールの剥離が発生した場合でも、修復機能を有しているので、600℃を超えるような高温の使用条件においても、水蒸気酸化が発生しにくい。このように、本発明の鋼管は、耐水蒸気酸化性に優れているので、ボイラその他の高温の使用環境で用いるのに好適である。   According to the present invention, it is possible to uniformly form a scale having excellent protective properties on the surface of the steel pipe in the initial stage of use, and it is possible to suppress the peeling of the scale and even if the peeling of the scale occurs. Since it has a repair function, steam oxidation is unlikely to occur even under high temperature use conditions exceeding 600 ° C. Thus, since the steel pipe of the present invention is excellent in steam oxidation resistance, it is suitable for use in boilers and other high-temperature usage environments.

Claims (5)

質量%で、Crを8〜28%含有する鋼管であって、その内表面に加工層を有し、下記の(1)式を満足することを特徴とする耐水蒸気酸化性に優れた鋼管。
α≧0.5 ・・・(1)
但し、(1)式中のαは下記式で示される。
α={Hv20−Hvt/2}/Hvt/2
ここで、Hv20は、鋼管内表面からの深さが20μmの位置におけるビッカース硬度、Hvt/2は、鋼管内表面からの深さがt/2(t:鋼管の肉厚)の位置におけるビッカース硬度をそれぞれ意味する。
A steel pipe containing 8 to 28% by mass of Cr and having a processed layer on its inner surface and satisfying the following formula (1):
α ≧ 0.5 (1)
However, (alpha) in (1) Formula is shown by a following formula.
α = {Hv 20 −Hv t / 2 } / Hv t / 2
Here, Hv 20 is Vickers hardness at a position where the depth from the inner surface of the steel pipe is 20 μm, and Hv t / 2 is a position where the depth from the inner surface of the steel pipe is t / 2 (t: the thickness of the steel pipe). Each means Vickers hardness.
前記加工層が、その表面から深さ1μmの位置における結晶粒径が1μm以下である結晶組織を有することを特徴とする請求項1に記載の耐水蒸気酸化性に優れた鋼管。   2. The steel pipe excellent in steam oxidation resistance according to claim 1, wherein the processed layer has a crystal structure having a crystal grain size of 1 μm or less at a depth of 1 μm from the surface thereof. 前記鋼管が、質量%で、Crを8〜28%含有するフェライト系耐熱鋼管で構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の耐水蒸気酸化性に優れた鋼管。   The steel pipe excellent in steam oxidation resistance according to claim 1 or 2, wherein the steel pipe is composed of a ferritic heat resistant steel pipe containing 8 to 28% by mass of Cr. 前記鋼管が、質量%で、Crを15〜28%、Niを6〜30%含有するオーステナイト系ステンレス鋼で構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の耐水蒸気酸化性に優れた鋼管。   3. The steam oxidation resistance according to claim 1, wherein the steel pipe is made of austenitic stainless steel containing 15 to 28% Cr and 6 to 30% Ni in mass%. Excellent steel pipe. 前記加工層が、粒子吹き付けによって形成された加工層であることを特徴とする請求項1から4までのいずれかに記載の耐水蒸気酸化性に優れた鋼管。   The steel pipe excellent in steam oxidation resistance according to any one of claims 1 to 4, wherein the processed layer is a processed layer formed by spraying particles.
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